Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlunσ
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbei¬ ten von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem der Bearbei¬ tungsprozeß, insbesondere die Einschweißtiefe oder der Durch- schweißgrad überwacht wird, indem aus einem nicht abschirmen¬ den, laserinduzierten Plasma oder Dampf herrührende optische und/oder akustische Signale detektiert werden.
Aus der DE 38 20 848 AI ist ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken, insbesondere zum Fügen von Blechen mit Laser¬ strahlung bekannt, das die vorgenannten Merkmale aufweist. Es ermöglicht insbesondere die Erfassung eines Durchschweißens, bei dem sich die Fluktuationen des Plasmaleuchtens und/oder des Plasmageräuschs sprunghaft derart ändern, daß aus dem sprunghaften Verändern der optischen und/oder akustischen Si¬ gnale auf das Durchschweißen geschlossen werden kann. Dieses bekannte Verfahren ist bezüglich der Signalauswertung jedoch kritisch. Insbesondere ergeben sich nicht zuverlässig auswert¬ bare Schwankungen in Abhängigkeit von der Geometrie und/oder von Prozeßparametern, so daß die Anwendung des bekannten Ver¬ fahrens in größeren Anwendungsbereichen schwierig ist, also in
ihrer allgemeinen Erstreckung auf die Vielzahl der Bearbei¬ tungsfälle.
Außerdem ist es aus SPIE Vol. 801, 1987, S.340 bekannt, die von einem Schneidprozeß ausgehende Strahlung mit einem Strahlungsteiler in den sichtbaren Bereich und in den Infra¬ rotbereich zu unterteilen. Beide Teile werden separat durch Fotodioden detektiert. Das Verhältnis des Gleichanteils des sichtbaren Signals zu dem des infraroten Signals wird berech- ne . Es wächst mit ansteigender Temperatur an der Schneid¬ front. Mit dem Berechnungsergebnis kann Einfluß auf die Schneidgeschwindigkeit genommen werden. Auch hier ergeben sich die vorbeschriebenen Abhängigkeiten des Verfahrens von der Werkstückgeometrie und/oder von Prozeßparametern, was die all- gemeine schnelle Anwendbarkeit des Verfahrens beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen so zu ver¬ bessern, daß sich allgemeiner gültige Kriterien für Vorgänge beim Bearbeiten und für Bearbeitungsergebnisse ermitteln las¬ sen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Signale einer Frequenzanalyse unterworfen werden, und daß die mittleren Am- plituden zweier unterschiedlicher Frequenzbänder der analy¬ sierten Frequenzen mit einer vorbestimmten Rechenfunktion zur Ermittlung einer Bewertungsgröße verwendet werden.
Bei diesem Verfahren werden also die Signale bzw. ihre Mittelwerte nicht selbst herangezogen, um zu einem Überwa¬ chungsergebnis zu gelangen, sondern sie werden einer Frequenz¬ analyse unterworfen. Es wird also nicht ein bestimmter Wert der Leuchtintensität, der Lautstärke oder der Frequenz eines bestimmten Signals verwendet, um beispielsweise den Durch- schweißgrad zu beurteilen. Vielmehr werden ein oder mehrere Werte einer Frequenzanalyse unterzogen, so daß sich als Ergeb¬ nis dieser Frequenzanalyse ein Band analysierter Frequenzen ergibt, welches ausgewertet wird. Die Auswertung erfolgt da¬ hingehend, daß die mittleren Amplituden zweier unterschiedli- eher Frequenzbänder zur Ermittlung einer Bewertungsgröße
herangezogen werden. Diese Ermittlung erfolgt mit einer Re¬ chenfunktion, die vorbestimmt werden muß. Die ermittelte Be¬ wertungsgröße wird dann benutzt, um Aussagen über den Bearbei¬ tungsvorgang und/oder über das Bearbeitungsergebnis zu machen. Im Einzelnen kann folgendes detektiert werden:
- eine Änderung der Schweißtiefe eine Änderung des Durchschweißgrades
- eine Änderung von Einschweißen und Durchschweißen - eine Änderung der Fokuslage eine Änderung der Schweißgeschwindigkeit
- eine Änderung der Laserleistung
- eine Spritzerbildung
- eine Lochbildung, resultierend aus verstärkten Spritzern - eine Veränderung des Spaltes beim Fügen von Blechen im I-
Stoß sowie im Überlappstoß eine geänderte Schutzgasführung, d.h. eine Änderung in der Beeinflusssung des laserinduzierten Plasmas und der Plasmaabsorption (z.B. Plasmaabschirmung) - eine verstärkte Porenbildung sowie Nahteinfall
Besonders bewährt hat sich, daß als Rechenfunktion die Quotientenbildung vorbestimmt wird.
Um möglichst schnell zu Bewertungsergebnissen zu kommen und diese insbesondere in die Verfahrenssteuerung einfließen lassen zu können, wird so verfahren, daß die Frequenzanalyse mittels einer schnellen Fourier-Transformation durchgeführt wird. Letztere ist ein für digitale Rechenautomaten optimier- tes Rechenverfahren zur Verringerung der Rechenzeit . Als we¬ sentlicher Vorteil ergibt sich die Anwendung des Verfahrens für Echtzeitanalysen, z.B. im Bereich von unter einer Sekunde.
Um die Einflußnahme stochastischer Schwankungen der Plas- mabildung auf das Bewertungsergebnis auszuschließen, wird so verfahren, daß aus einem zeitlichen Verlauf der Bewertungs¬ größe Mittelwerte zur Beurteilung des Bearbeitungsprozesses gewonnen werden.
Bei dem eingangs beschriebenen Verfahren sind die Ein¬ richtungen zur Überwachung der Plasmabildung bzw. der Bearbei¬ tungsstelle seitlich außerhalb der Laserstrahlfokussierein- richtung angeordnet. Das bedingt einen zusätzlichen Halte- rungsaufwand, der gerade im Bereich der Laserstrahlfokussier- einrichtung unerwünscht ist, da hier in der Regel weitere Ag¬ gregate verwendet werden müssen, wie GasZuführungen od.dgl. Auch hindern derartige Halterungen die Anwendung der Vorrich¬ tung bei der Bearbeitung von Werkstücken in drei Dimensionen. Eine Vorrichtung zur Durchführung der vorgenannten Verfahren ist daher vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß ein Detektor an den Strahlengang der Laserstrahlfokussiereinrichtung ange¬ schlossen oder in letztere eingebaut ist. Infolgedessen werden die Informationen aus dem laserinduzierten Plasma oder aus dem Dampf mit der Optik der Laserstrahlfokussiereinrichtung aufge¬ nommen und können unabhängig von deren Ausbildung dorthin ge¬ leitet werden, wo der Detektor nicht stört.
Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß der Detektor ein bedarfsweise mit einem optischen Filter versehener Fotodetek¬ tor und/oder ein akustischer Detektor ist. Als Fotodetektoren kommen beispielsweise Fotodioden oder Fotomultiplier zum Ein¬ satz. Optische Filter sind können Bandpaß- und/oder Kantenfil¬ ter sein, die beispielsweise im blauen Wellenbereich durchläs- sig sind. Dadurch wird eine Vorauswahl der vom Plasma oder Dampf herrührenden optischen Signale getroffen, was die Fre¬ quenzanalyse vereinfacht, nämlich insbesondere beschleunigt und/oder ein Mittel ist, um solche Signalbereiche zu berück¬ sichtigen, in denen die Frequenzanalyse besonders augenfällige Änderungen ergibt, so daß auch die Unterschiede in den Ände¬ rungen bei der Bewertungsgröße entsprechend augenfällig sind. Als akustischer Detektor wird beispielsweise ein Mikrophon verwendet. Auch hier ist eine Beeinflussung des bei der Fre¬ quenzanalyse verwendeten Frequenzbereichs möglich, z.B. durch die Verwendung eines entsprechenden Filters.
Die schnelle Fourier-Transformation wird zweckmäßiger¬ weise damit durchgeführt, daß an den Detektor ein dessen Si¬ gnale mit der schnellen Fourier-Transformation analysierender (FFT-) Analysator angeschlossen ist, mit dessen Ausgang zwei
Bandpässe verbunden sind, die unterschiedlich einstellbare Frequenzbänder haben. Die beiden an den Analysator angeschlos¬ senen Bandpässe treffen die Auswahl unter dem gesamten analy¬ sierten Spektrum bezüglich derjenigen Frequenzbänder, die zur Ermittlung der Bewertungsgröße herangezogen werden sollen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgänge der Bandpässe an eine Schaltung zur Quotientenbildung angeschlossen sind, die mit einer Anzeigeeinrichtung und/oder mit einer den Bearbeitungsprozeß on-line beaufschlagenden Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden ist. Die Schaltung liefert an ihrem Ausgang die erwünschte Bewertungsgröße, die also eine Aussage über die Einschweißtiefe, den Durchschweiß- grad od.dgl. erlaubt. Diese Bewertungsgröße wird durch die An- Zeigeeinrichtung angezeigt und/oder sie wird zur on-line-Be- einflussung des Bearbeitungsprozesses verwendet.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig.l eine schematische Darstellung der Anordnung von
Detektoren zur Aufnahme optischer und/oder akusti¬ scher Signale aus dem Plasma oder Dampf der Bear¬ beitungsstelle, Fig.2a ein einem Versuch unterworfenes Werkstück im Quer¬ schnitt, Fig.2b bis 2d in einer Frequenzanalyse gewonnene Signal¬ amplituden in Abhängigkeit von der Frequenz, Fig.3a das Werkstück der Fig.2a zwecks Zuordnung zur Fig.3b, die eine Abhängigkeit der Bewertungsgröße für den
Durchschweißgrad des in 3a dargestellte Werkstücks zeigt, Fig. a, 4b die zeitliche Abhängigkeit der Vorschubge¬ schwindigkeit eines Bearbeitungsvorgangs und der Bewertungsgröße für den Durchschweißgrad, und
Fig.5 ein Blockschaltbild zur Detektion des Durchschweiß- grades.
Das in Fig.l schematisch dargestellte Werkstück besteht beispielsweise aus zwei durch einen Schweißvorgang miteinander
zu verbindenden Werkstückteile . Es kann aber auch ein Werk¬ stück sein, das durch die Bearbeitung geschnitten werden soll. Auch sonstige Bearbeitungen können erfolgen, wie Abtragen oder Ritzen, sofern dabei der Prozeß und/oder das Werkstück beob- achtet werden soll.
Der Bearbeitung des Werkstücks dient Laserstrahlung 10, die dem Werkstück von einem Laser durch eine Laserstrahlfokus- siereinrichtung 15 zugeführt wird. Dabei wird die Laserstrah- lung innerhalb der Laserstrahlfokussiereinrichtung 15 mit Spiegeln 17,21,22 umgelenkt und durch den letztgenannten Spie¬ gel 22 so fokussiert, daß sich auf dem Werkstück eine Bearbei¬ tungsstelle 12 ergibt. Von der Bearbeitungsstelle bzw. von dem darüber oder darin befindlichen Plasma oder Dampf emittiertes Licht 13 gelangt zurück in die Laserstrahlfokussiereinrichtung 15, auf den Fokussierspiegel 22 und die Umlenkspiegel 21,17. Um die Laserstrahlfokussiereinrichtung 15 zur Detektion des emittierten Lichts 13 zu nutzen, greift in den Strahlengang 13 ' des sich innerhalb der Einrichtung 15 bewegenden emittier- ten Lichts 13 ein Auskoppelprisma 18 ein, oder der Spiegel 17 ist dikroidisch ausgebildet, er läßt also einen Teil der ins¬ gesamt auf ihn fallenden Strahlung durch, nämlich den Anteil des von der Bearbeitungsstelle 12 bzw. deren Umgebungsbereich emittierten Lichts vorbestimmter Wellenlänge. Die an das Prisma 18 bzw. an den Spiegel 17 angeschlossenen Detektoren 2,3 können an geeigneter Stelle angeordnet sein, also auch entfernt von der Laserstrahlfokussiereinrichtung 15, so daß letztere durch die Detektoren 2,3 unbehindert bewegt werden kann. Des weiteren ist in Fig.l noch ein Scraper-Spiegel 19 im Strahlengang des emittierten bzw. reflektierten Lichts 13 dar¬ gestellt, das durch diesen Spiegel 19 einem Detektor 1 zuge¬ leitet wird.
Es ist aber auch möglich, den Bearbeitungsprozeß direkt zu beobachten, indem ein Detektor 4 in die Laserstrahlfokus- sierungseinrichtung 15 integriert wird. Die Integration er¬ folgt dabei derart, daß der Anstellwinkel des Detektors 4 zur Senkrechten bzw. zum Laserstrahl 10 möglichst klein ist. Er wird durch die baulichen Gegebenheiten der Laserstrahlfokus- siereinrichtung 15 bestimmt.
Alle Detektoren 1 bis 4 können gleichwirkend aufgebaut sein, was durch die Bezeichnung mit dem Buchstaben D angedeu¬ tet wird.
Fig.2a zeigt den Querschnitt eines Werkstücks, bei dem mit einer Vorrichtung gemäß Fig.l in Pfeilrichtung 26 ge¬ schweißt wurde, und zwar unter Ausbildung eines laserinduzier¬ ten Plasmas an der Bearbeitungsstelle 12. Einer der Detektoren 1 bis 4 nimmt Signale aus der Plasma auf, beispielsweise opti¬ sche Signale, nämlich Leuchtstärkeschwankungen, die sich in¬ folge von Fluktuationen des Plasmas ergeben.
Diese Signale gelangen gemäß Fig.5 in den FFT-Analysator 14, der für die Stellen ©, ©und CD die in den Fig.2b bis 2d dargestellten Amplituden eines Signals bei den angegebenen Frequenzen errechnet bzw. aufzeichnen läßt. Durch Vergleich ist deutlich ersichtlich, daß sich die Frequenzgänge bei un¬ terschiedlich großen Werkstückdicken deutlich unterscheiden. Es ergeben sich also unterschiedliche Signalspektren in Abhän¬ gigkeit von der Werkstückdicke und damit von der Einschwei߬ tiefe. Das heißt, die Einschweißtiefe kann grundsätzlich über die Frequenzanalyse der aus dem Plasma gewonnenen Signale be¬ stimmt werden.
Eine besonders deutliche Änderung eines derartigem Fre¬ quenzbandes ergibt sich im Falle der Durchschweißung eines Werkstücks, wenn also die Schweißkapillare an der Nahtwurzel des Werkstücks bzw. der Schweißnaht auf der Unterseite des Werkstücks geöffnet wird. Die Änderung ist auch besonders sprunghaft, so daß sie eine zuverlässige Größe zur Beeinflus¬ sung des Schweißprozesses sein kann.
Aus den Fig.2b bis 2d ist ersichtlich, daß sich die Si- gnalamplituden für unterschiedliche Frequenzen an den betrach¬ teten Stellen Φ bis (D sehr unterschiedlich verhalten. Hinzu kommt, daß sich die Kurven der Fig.2b bis 2d nicht konstant verhalten, sondern sehr stark von den stochastischen Änderun¬ gen in der Dampfkapillare bzw. im Plasma abhängen. Insbeson- dere haben auch Schmelzbadbewegungen Einfluß auf die detek-
tierten Signale. Es ist daher erforderlich, eine Bewertungs¬ größe zu gewinnen, deren zeitliche Abhängigkeit ausgewertet bzw. möglichst weitgehend ausgeschaltet werden muß. Infolge¬ dessen werden aus dem in den Fig.2b bis 2d dargestellten Fre- quenzbereich von 0 bis beispielsweise 6,3 kHz zwei Frequenz¬ bänder bestimmt, die in Fig.2b mit x und mit y bezeichnet sind und beispielsweise den Frequenzbereich von 0 bis 1 kHz und >1 kHz umfassen. Daher ist der FFT-Analysator 14 mit seinem Aus¬ gang 14' an zwei parallele Bandpässe 16,20 angeschlossen. Diese Bandpässe gestatten die Einstellung der Frequenzbänder. Jede andere zweckmäßige Einstellung der Frequenzbänder ist möglich, um diejenige Bewertungsgröße zu ermitteln, die die am besten verwertbaren Ergebnisse liefert.
Aus Fig.2b ist ersichtlich, daß die mittlere Amplitude Ax mit 0,6 erheblich größer ist, als die mittlere Amplitude Ay im Frequenzbereich y mit 0,4. Das wird im vorliegenden Fall durch Quotientenbildung zur Ermittlung einer Bewertungsgroße B be¬ nutzt, wozu die Bandpässe 16,20 mit ihren Ausgängen 16 ',20' an eine Schaltung 23 zur Quotientenbildung angeschlossen sind. Im vorliegenden Fall wird der Quotient Ay/Ax gebildet. Es ergibt sich ein Verhältnis By/x von 0,66 zu einem bestimmten Zeit¬ punkt to- Dieser Einzelwert Bx/y ist in Fig.3b für den Zeit¬ punkt to eingezeichnet. Dementsprechend ergeben alle Bewer- tungsgrößen B, die auf diese Weise berechnet werden, den in Fig.3b angegebenen zeitlichen Verlauf der Bewertungsgröße. Insbesondere ergibt sich, daß für eine Stelle @, also für eine Werkstückdicke von 3mm die Bewertungsgröße Null sein soll. Demgegenüber sind die Bewertungsgrößen B1,B3 und B4 als Mit- telwerte der Bewertungsgröße für die in Fig.3a mit den ent¬ sprechenden Vertiefungen versehenen Stellen Φ, ® und © ein¬ deutig voneinander unterschiedlich, so daß die Bewertungsgröße ein Maß für die Einschweißtiefe sein kann. Die vorgenannten Mittelwerte liegen für © bei 0,85, für (D bei 0,7 und für © bei 0,5, obwohl die Einschweißtiefe fast bis an die Unterseite des Werkstücks reicht. Wird diese Werkstückunterseite 27 durch das Einschweißen erreicht, öffnet sich also die Kapillare an der Naht urzel, so springt die Bewertungsgröße von etwas weni¬ ger als 0,5 auf Null. Das ist ein sehr deutliches Indiz für
das Durchschweißen, nämlich das Öffnen der Kapillare an der Nahtwurzel.
Mit dem angegebenen Verfahren kann also die Schweißtiefe bestimmt werden, demgemäß der Durchschweißgrad und vor allem der Übergang vom Einschweißen zum Durchschweißen.
Unabhängig von den vorbeschriebenen Verfahren zum Ermit¬ teln der Bewertungsgröße für die Schweißtiefe bzw. für den Durchschweißgrad ist festgestellt worden, daß auch andere Pro¬ zeßparameter deutlich detektierbare Einflüsse erkennen lassen, wenn die Bewertungsgröße nach dem vorbeschriebenen Verfahren ermittelt wird. Fig.4a zeigt Änderungen der Vorschubgeschwin¬ digkeit in Abhängigkeit von der Zeit . Diese Änderungen wurden willkürlich gewählt. Fig.4b zeigt die Abhängigkeit der Bewer¬ tungsgröße von der Zeit für die Vorschubgeschwindigkeiten der Bereiche Φ, © und ®. Es ist ersichtlich, daß die Bewertungs¬ größen Bl', B2 ' und B3 ' deutlich unterschiedlich voneinander sind. Daher ist erkennbar, daß der Durchschweißgrad bzw. die Bewertungsgröße für den Durchschweißgrad dazu herangezogen werden kann, die Vorschubgeschwindigkeit zu ändern, um den Durchschweißgrad konstant zu halten.
Zusammenfassend ergibt sich, daß es durch den Vergleich zweckmäßig bestimmter Frequenzbänder der Signale möglich ist, nämlich beispielsweise durch Quotientenbildung, Änderungen im Schmelzbad und in der Geometrie der Dampkapillare zu erfassen und Bewertungsgrößen zu ermitteln, die eine Beobachtung des Prozesses und/oder eine Einflußnahme auf den Prozeß ermögli- chen. Infolgedessen sind in Fig.5 an die Schaltung 23 zur Quo¬ tientenbildung eine Anzeigeeinrichtung 24 und eine Steuer¬ oder Regeleinrichtung 25 angeschlossen, wobei mit letzterer eine on-line-Bearbeitung möglich ist, wenn die Mittelwerte B1,B3, B4 bzw. B1',B2',B3' gemäß Fig.3b, 4b der Bewertungsgröße B herangezogen werden.